矮化密植棗園氣動式修剪機的研制

范修文,張宏,李傳峰,孟煒

新疆塔里木大學機械電氣化工程學院,新疆阿拉爾843300

矮化密植棗園氣動式修剪機的研制

范修文,張宏,李傳峰,孟煒*

新疆塔里木大學機械電氣化工程學院,新疆阿拉爾843300

本文針對新疆南疆地區棗樹低矮密植型種植模式，提出了針對該模式下的棗樹氣動修剪方式，從動力選擇、氣動回路系統及整體機械結構方面進行了設計，研制出的低矮密植棗園手持氣動式修剪機，同時對有利于提高棗樹修剪效率的受力方面進行了分析。

棗樹;矮化密植;氣動;修剪

近年來，南疆地區紅棗栽培面積迅速增加，面積已達9.3萬多hm2。預計2010年后，南疆地區的紅棗栽培面積將達到30萬hm2，將建成世界最大的紅棗生產基地。南疆地區的紅棗基地多采用矮化密植的種植管理模式，對于該種模式下種植的棗樹的整形，都在定植3～4年后進行，修剪時要本著整形與結果并舉的原則進行，科學使用各種修剪方法，加速樹形的形成，并及時削弱樹勢，以促其提早結果，達到豐產優產的目的。現有的樹枝修剪設備主要有兩大類，一是短細枝修剪：手柄較短，不適宜棗樹的修剪；二是高枝修剪：針對高粗枝的修剪，手柄較長，重量較大，修剪時對準性較低，不容易操作。試驗表明，以上的兩種修剪新設備均不能適用于低矮密植棗樹的修剪作業。因此，根據棗樹修剪工藝要求，本文主要研究在低矮密植化棗樹的修剪過程中，更能適用于南疆密植林棗樹修剪的工藝和相關設備的研制，解決其在使用上的靈活性，移動的方便性以及在使用中的空間利用問題。

1 氣動式修剪機的工作原理

矮化密植型棗園對修剪機的設計要求：①密植園棗樹行距1.8～2 m，修剪機占用空間小，能使整個機構在棗行間自由行走方便作業；②株高2 m，其中冠高1.6 m，株冠直徑1.2 m，修剪機利用軟軸實現修剪刀方向的變化，通過手持方式對株冠上下全面修剪；③剪切機構質量要輕，以便操作者能夠用手握住方便作業。根據以上要求，本文設計了氣動式修剪的作業機，其修剪工作原理如圖1所示。進行剪切動作時，按下開關，空氣壓縮機產生的壓縮空氣將作為動力通過氣路系統輸送到氣缸，推動氣缸活塞桿運動，與其連接的傳動桿帶動動剪刀頭進行剪切動作，與定剪刀頭配合作用實現剪切。

2 氣動修剪機的動力選擇

從修剪機的動力角度看，目前可以分為無動力和有動力兩種[1]，針對矮化密植型種植模式，本文采用有動力的方式進行設計。在工作中，利用背負架將動力部分背在操作者身后，發動機可繞背負架底座的支撐軸作水平方向的轉動，以適應工作桿角度的變化。操作者只需控制安裝在工作桿上的油門來控制發動機的供油量從而來調整轉速[2]。這種手持背負式結構，在矮化密植型種植模式下作業靈活，以小型汽油機為動力，通過軟軸傳動帶動圓鋸片工作。本文的設計以氣動為動力源，采用氣缸的伸縮實現剪刀的開合，結構簡單，原理上可行，可作為今后新型剪刀結構的探索方向。

圖1 氣動式修剪機的修剪工作原理圖Fig.1 Cutting principle diagram of pneumatic pruning machine

3 氣動式修剪機的設計

3.1傳動機構的氣路設計

由于本設計要求的剪枝直徑范圍為5～10 mm，為了克服由于修剪頻繁，彈簧容易失效的現象，采用了雙作用氣缸進行修剪。剪刀部分的剪切作業由氣缸伸縮動力來實現，氣缸桿出，則剪刀閉合，完成樹枝的修剪；氣缸桿回，則剪刀打開回位。為了實現以上雙向動作，設計了氣動回路系統。

氣動回路是用來操作控制剪刀的張開和閉合（修剪）。該氣動回路原理，如圖2所示。空氣動力氣源與左右兩個流量單向組合閥相連，同時通過氣動換向閥（二位四通換向閥）與氣缸的左右腔相連。在氣動換向閥兩側各有一個手動換向開關（二位二通換向閥）。流量閥用來調節換向時間的長短，手動換向開關用來控制氣動換向閥的工作位置，從而實現氣缸活塞桿的往返運動，操作剪刀的張開或閉合修剪。壓縮空氣是由拖拉機帶動壓縮機產生，作為該氣動回路系統的動力源。氣缸活塞桿向右運動時，帶動傳動桿向前運動，推動動剪刀頭旋轉，與定剪刀頭形成剪切動作；氣缸活塞桿向左運動時將傳動桿拉回，進而拉動動剪刀頭回位，完成一次剪切作業過程。氣動修剪機氣動回路結構圖如圖3所示。

圖2 氣動修剪機氣動回路原理圖Fig.2 Pneumatic circuit principle diagram of pneumatic pruning machine

圖3 氣動修剪機氣動回路結構圖Fig.3 Pneumatic circuit structure diagram of pneumatic pruning machine

3.2氣動式修剪機的結構設計

根據氣動式修剪機的工作原理，設計了如圖4所示的手持伸縮桿式氣動修剪機，除氣缸與開關外，氣路部分的其他機構與空氣壓縮機均有小型拖拉機帶動，圖4僅為人手操作部分的結構。滑動桿4由三段套接而成，可以實現伸縮，其接頭借鑒現有手動高枝剪手柄鏈接方式，實現在任意位置定位，可以在修剪中調整操縱桿的長度，以適應棗樹不同部位的修剪高度與深度的剪枝作業情況。人手操作開關，控制整個氣路系統。按下開關，壓縮氣體通過氣路系統傳到氣缸5，推動氣缸活塞與活塞桿向左運動，通過桿接頭6與剪刀頂桿7將動力傳到動剪刀頭8，動剪刀頭8旋轉，與固定在剪刀柄固定桿9上的定剪刀頭10形成剪切狀態，修剪樹枝。之后開關打開，放出氣體，氣缸活塞與活塞桿反向運動，帶動動剪刀頭8回位，等待下一次作業。該手持伸縮桿式氣動修剪機的外形與剪刀頭分別如圖5、圖6所示。

為了減輕重量，操作簡單，選擇鋁合金做材料，鏈接部分選擇尼龍粘接或螺紋連接。

圖4 氣動修剪機的結構Fig.4 The structure of pneumatic pruning machine

圖5 修剪設備實物圖Fig.5 Physical figure of pruning equipment

圖6 修剪頭Fig.6 Pruning head

4 氣動式修剪機的動力學參數分析

該修剪機在壓縮空氣為5～8 MPa的情況下工作，由此可知，氣缸傳遞到動剪刀桿上的力為二力桿件受力。

式中，

F——動剪刀桿受到的力；P——修剪機工況氣壓；A——氣缸工作面積

由上式可知，氣缸在伸出時較縮回時受力面積大（大于杠桿的截面），為了充分利用氣缸有效動力，設計時必須實現伸出時剪切。棗樹樹枝被修剪時受到的剪切力大小受其截面和運動狀態的影響，同時被修剪枝在剪刀中的位置不同也會導致修剪時剪切力的變化。在實際修剪時，若被修剪枝靠近剪刀頭的旋轉銷釘處，該機構將成為省力機構，但需要人力推擋；被修剪枝太靠剪刀前部，容易使被剪枝條滑脫；因此要盡量使被修剪枝條置于剪刀中部，既不容易使枝條滑落，同時也省力。理想狀態下，即我們假設被修剪枝條剛好置于剪刀正中部，被剪枝條截面半徑為R，則其受力簡圖7所示。

圖7 修剪機的機構受力簡圖Fig.7 Institutions force diagram of pruning machine

圖8 修剪枝條狀態Fig.8 The state of pruning branches

根據圖示狀態，EA桿的有效力矩為：

式中，

T——EA桿的有效力矩；F——動剪刀桿受到的力；P——修剪機工況氣壓半徑為R的被剪枝條所受力矩為：

式中，

T′——OB桿的有效力矩；F′——動剪刀桿刃部的力由式（4-2）、（4-3）得枝條所受剪力為：

分析式（4-4）可知，Ф越大剪切力越大，即隨著Ф的增大對枝條的剪切作業就越容易實現。由圖7可以看到，雖然Ф角可以進一步增大，但在增大的同時剪刀所占的空間將加大，會妨礙枝丫的修剪，因此，設計了相關的限位機構，限制剪刀頭的張角在所需的范圍內。針對不同情況的修剪，可以對限位機構進行適當地位置調整，在便在修剪時適當加大Ф角，以增大剪切力，利于修剪作業。

5 結論

本文設計研制的手持氣動式修剪機，不僅操作方便，省時省力，且可以根據用戶不同的作業要求，對其進行一定的自由調整，達到了設計要求。本設計突出體現了以下幾個特點：

（1）根據作業要求，制訂了氣動式修剪的作業方案，用氣動力代替人力作為剪切力，大大減輕了人手的操作勞動量。

（2）按照作業方案與原理設計了整個氣動回路系統，只需操作按鈕即可完成剪切作業，減輕勞動力的同時，大大提高了其便捷性與靈活性。

（3）設計了整體的傳動與剪切機構，不僅作業可靠，還可以對其手柄長度進行調節，適應于不同的作業條件。

[1]李世葳,王述洋,王慧,等.樹木整枝修剪機械現狀及發展趨勢[J].林業機械與木工設備,2008,01(36):15-16

[2]陳志強,吳遠彬,陳永康,等.軟軸綠籬修剪機的研制[J].福建林業科技,2002,09(29):51-53

The Development of the Pneumatic Cutting Machine Used in a Dwarf Dense Planting Jujube Garden

FAN Xiu-wen,ZHANG Hong,LI Chuan-feng,MENG Wei*
College of Mechanic and Electrical Engineering,Tarim University,Alar Xinjiang843300,China

The paper put forward the pneumatic cutting type aiming at the low-density planting model of jujube garden in the south of Xinjiang.Handheld pneumatic machine for the low-dense planting model in jujube garden had been designed in this paper.It involved to choose the pneumatic dynamic and design the pneumatic circuit system and overall mechanical structure etc, and also to analyze the force of improving the cutting efficiency in jujube garden.

Jujube;low-density planting;pneumatic;cutting

S224.9

A

1000-2324(2014)05-0694-04

2012-10-24

2012-12-26

兵團中小企業項目(2008zh13)

范修文(1981-),男,山東泰安人,講師,工學碩士,主要研究方向:機械設計及制造自動化及農業機械方向的教學研究.Email:fanwenwen-1@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.Email:mengyaowang@163.com